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蝴蝶光致发光增强光学复合结构研究及仿生

作　者: 于奎龙
导　师: 范同祥
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: 蝴蝶光子晶体光学结构光致发光光提取生物模板法
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着光学理论与技术的发展进步,先进光学材料和精密光学器件不断被开发出来。继电子时代之后的光子时代将会到来。光学材料的设计与制备是光学器件和光学系统的前提和基础。使光学材料具有光波长量级的结构特征可以达到有效处理和操控光学信号的目的。光子晶体便是操控光子的有效光学结构,在先进精密光学器件的应用中具有巨大潜力。光学结构参数的最优化设计是先进光学材料开发中的重要环节。而大自然中存在丰富多样的光学生物结构。这些自然光学结构经过长期自然进化的选择作用,具有了为产生某种特定的光学效果所需的最优结构参数。蝴蝶鳞片中存在丰富的精细显微光学结构,如层状结构、二维光子晶体结构和三维光子晶体结构。研究蝴蝶鳞片中光学结构的光学机制,并将其转移到人工光学材料上,是先进光学材料设计与制备的有效途径。本文选取緑霓德凤蝶绿色鳞片和蓝草德凤蝶蓝色鳞片为研究对象。通过光学显微镜、扫描电镜对緑霓德凤蝶和蓝草德凤蝶鳞片进行结构表征,揭示出蝴蝶鳞片具有一种复合光学结构,由网格结构层、二维光子晶体层和层状结构层构成。通过显微分光光度计测试鳞片垂直方向的反射光谱;运用积分球式紫外-可见光分光光度计测试鳞片全角度范围内的反射光谱。根据鳞片的结构表征抽象出鳞片的复合结构模型,采用时域有限差分法（FDTD）和平面波展开法（PWE）对鳞片结构的反射谱和能带进行模拟计算。结合鳞片的光谱测试结果和模拟计算结果对蝴蝶鳞片光学复合机构的光学机制分析讨论证明,鳞片通过网状减反结构实现色素激发光的光捕获,通过二维光子晶体结构和层状布拉格反射结构使色素发射光充分发射到鳞片外的空气中,从而增强光致发光强度。将蝴蝶鳞片中光学复合结构转移到人工光学材料中,对先进仿生光学材料进行初步探索。利用绿霓德凤蝶和绿斑德凤蝶的鳞片为生物模板,选择合适的前驱体,通过浸渍、烧结工艺,制备了光致发光材料Y₂O₃:Eu³⁺、TiO₂和ZnO,并对其进行结构表征和性能研究。前驱体浸渍过程中,前驱体均匀附着于鳞片模板上,然后经过空气中煅烧工艺去除生物模板的同时让目标材料结晶生长,从而制备出仿生光致发光材料。对仿生Y₂O₃:Eu³⁺的结构表征证明其很好地保留了原始鳞片模板的光学结构;XRD测试显示仿生Y₂O₃:Eu³⁺具有单一的Y2O3晶相,光致发光测试证明Eu3+有效地掺杂至Y2O3基体,仿生Y₂O₃:Eu³⁺具有典型的红色光致发光,成功制备出了光子晶体结构的Y₂O₃:Eu³⁺荧光体。以緑霓德凤蝶鳞片为模板,通过浸渍烧结工艺制备了仿生TiO₂;XRD表征证明试验获得了单一的锐钛矿相TiO₂,扫描电镜观察显示出仿生TiO₂具有完好的二维光子晶体结构。通过对比研究不同前驱体,本文成功制备出光子晶体结构的ZnO;XRD测试显示反生ZnO为单一的红锌矿结构,光致发光测试显示出仿生ZnO可见光波段发射峰增强。本文充分挖掘大自然中的精细光学结构。对比研究緑霓德凤蝶和蓝草德凤蝶鳞片的显微光学结构,揭示了其中以二维光子晶体波导进行光提取,并结合网状减反结构和布拉格反射器增强鳞片色素光致发光强度的光学机制。受自然界中蝴蝶鳞片的巧妙、精细的光致发光增强机制的启发,将鳞片的复合光学结构通过生物模板法转移到人工光致发光材料上,对先进光学材料和器件的开发具有很好的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-30
  1.1 前言  9-10
  1.2 自然光学显微结构及其仿生  10-23
    1.2.1 光学材料仿生的研究步骤  10-13
    1.2.2 仿生光学材料的研究  13-23
  1.3 光子晶体发光材料的研究  23-28
    1.3.1 光子晶体的原理与性质  23
    1.3.2 自然界中的光子晶体结构  23-27
    1.3.3 光子晶体结构光学材料的研究  27-28
  1.4 选题意义和研究内容  28-30
    1.4.1 选题意义和研究目的  28
    1.4.2 研究内容  28-30
第一章蝴蝶鳞片光学结构结构及光学机制  30-42
  2.1 前言  30
  2.2 蝶翅鳞片的结构表征  30-33
  2.3 蝶翅鳞片的光学测试  33-35
  2.4 蝴蝶鳞片的光学模拟  35-40
    2.4.1 网格结构反射光谱模拟  36-38
    2.4.2 二维光子晶体结构能带计算  38-39
    2.4.3 层状结构反射光谱模拟  39-40
  2.5 本章小结  40-42
第三章仿生光致发光材料的制备与表征  42-60
  3.1 前言  42
  3.2 光子晶体结构Y_2O_3:EU~(~(3+))的仿生制备  42-48
    3.2.1 生物模板法制备仿生Y_2O_3:Eu~(3+)  43-45
    3.2.2 蝶翅光子晶体结构Y_2O_3:Eu~(3+)的表征  45-48
  3.3 光子晶体结构T102 的仿生制备  48-51
    3.3.1 生物模板法制备光子晶体结构Ti02  48-49
    3.3.2 蝶翅光子晶体结构 TiO_2 的结构表征  49-51
  3.4 光子晶体结构 ZNO 的仿生制备与表征  51-58
    3.4.1 生物模板法制备光子晶体结构 ZnO  51-53
    3.4.2 蝶翅光子晶体结构 ZnO 的结构表征  53-58
    3.4.3 蝶翅光子晶体结构氧化锌的光致发光性能测试  58
  3.5 本章小结  58-60
第四章结论  60-61
参考文献  61-70
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利  70-71
致谢  71-73

蝴蝶光致发光增强光学复合结构研究及仿生

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